Systèmes de conversion de l'énergie éolienne

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1 Systèmes de conversion de l'énergie 1.0 Introduction 'échauffement différentiel de la surface terrestre par la soleil entraîne le déplacement d'importantes masses d'air sur la L terre, c'est-à-dire le vent. Les systèmes de conversion de l'énergie transforment l'énergie cinétique du vent en électricité ou en d'autres formes d'énergie. La production d'énergie a connu une croissance extraordinaire au cours de la dernière décennie, car cette énergie est reconnue comme étant un moyen écologique et économique de produire de l'électricité. Un nombre croissant de pays adhèrent au Protocole de Kyoto élaboré en 1997, et l'énergie est devenue l'un des moyens les plus efficaces d'atteindre les objectifs qui y sont énoncés. Les pays signataires du Protocole de Kyoto s'engagent à réduire les émissions de gaz à effet de serre d'au moins 5 % par rapport à leur niveau de 1990, et ce au cours de la période allant de 2008 à Selon l'organisme américain Energy Information Administration, la consommation mondiale d'électricité, qui était de TWh en 1999, passera à TWh en Cette hausse sera principalement attribuable aux pays en développement, où deux milliards de personnes sont encore privées d'électricité [1]. L'ensemble des carburants servant à la production mondiale d'électricité en 1999, présenté à la figure 1, montre que les combustibles fossiles comptaient alors pour 62 %, tandis que les ressources renouvelables, comme l'énergie hydroélectrique, et solaire, comptaient pour 20,2 % [2]. Selon une évaluation du cycle de vie de ces différentes sources d'énergie réalisée par Hydro-Québec, les émissions de gaz à effet de serre produites par l'ensemble de carburants de 1999 se chiffrent à 510 kilotonnes d'équivalent CO2 par TWh [3], comparativement à 9 kilotonnes d'équivalent CO2 par TWh pour l'énergie. Une turbine de 660 kw fonctionnant à un facteur de capacité annuel de 0,35 peut produire environ 2 GWh d'électricité par année, soit une quantité suffisante pour 250 maisons canadiennes normales. Cette simple turbine peut épargner l'équivalent de tonnes d'émission de CO2 basé sur les taux d'utilisation de carburant en 1999 pour la production d'électricité. Si on utilisait cette turbine au lieu d'une centrale à charbon pour produire la même quantité d'électricité, on pourrait réduire ces émissions de tonnes d'équivalent de CO2. Outre les occasions d'affaires offertes par la déréglementation du marché de l'électricité, la production d'énergie a un énorme potentiel de création d'emplois dans les domaines du développement, de la fabrication, de la maintenance et du fonctionnement de systèmes s [4]. Le tableau 1 montre le nombre d'emplois que permettrait de créer l'utilisation de l'énergie par rapport aux autres technologies utilisées pour produire de l'électricité [5]. 2.0 Récents développements au sein de l'industrie 2.1 Puissance installée La production mondiale d'énergie a connu une croissance rapide à partir du début des années 90. Comme le montre la figure 2, le taux de croissance annuelle moyen de la capacité installée mondiale d'énergie était de 31 % entre 1994 et 2001 [6], ce qui fait de l'industrie l'une des celles qui croît le plus rapidement. Contrairement à la dernière poussée observée dans la production d'énergie au cours des années 70 et au début des années 80, qui était principalement attribuable à l'embargo pétrolier décrété contre les pays de l'opep, la vague actuelle de développement de l'énergie est propulsée par de nombreuses forces favorables. Mentionnons notamment les incroyables avantages qu'elle présente sur les plans par Liuchen Chang, Université du Nouveau-Brunswick, NB Sommaire L'énergie a connu une très forte croissance au cours de la dernière décennie grâce aux avantages qu'elle présente pour l'environnement, aux percées technologiques connexes et aux programmes d'encouragement gouvernementaux. Le présent article fait état des récents développements concernant les systèmes de conversion de l'énergie ainsi que des avantages sociaux et environnementaux qui y sont associés. Il comporte également une analyse des problèmes liés à l'interconnexion des ressources distribuées, y compris l'énergie et l'énergie électrique. On y présente aussi les progrès accomplis par le Canada et le groupe IEEE en ce qui concerne l'élaboration des normes d'interconnexion ainsi que les derniers programmes de R.-D. dans le domaine des systèmes de conversion de l'énergie. Abstract Wind power capacity has experienced tremendous growth in the past decade, thanks to wind power's environmental benefits, technological advance, and government incentives. This paper presents the recent developments in wind energy conversion systems, and their social and environmental benefits. The paper provides a review of the interconnection issues of distributed resources including wind power with electric power systems, and reports the developments of interconnection standards in Canada and IEEE. The paper also describes the recent R&D programs in wind energy conversion systems. Figure 1: Ensemble de carburants servant à la production mondiale d'électricité en Tableau 1: Création directe d'emplois Technologie Charbon 34,1% Nucléaire 100 Géothermale 112 Charbon 1 16 Thermie solaire 248 Éolienne 542 Gaz naturel 18,8% Ressources renouvelables Emplois/TWh/année Pétrole 9,9% 20,2% Nucléaire 17,0% 1 IEEE Canadian Review - Summer / Été 2002

2 World Installed Capacity (GW) Capacité mondiale installée (GW) Year Année Turbine Réseau de distribution Dispositif d'interconnexion triphasée Charges Figure 2: Capacité mondiale installée d'énergie Figure 3: Structure d'un système normal de conversion de l'énergie environnemental, social et économique, sa maturité technologique, la déréglementation des marchés de l'électricité sur la scène mondiale, le soutien du public et les programmes d'encouragement gouvernementaux. Au Danemark, l'énergie comptait pour 18 % de la consommation d'électricité en 2001, et cette proportion devrait passer à 50 % d'ici Le Canada avait une capacité totale installée d'énergie de 198 MW en 2001, et de nouveaux parcs d' devraient être aménagés en Ontario, à l'île-du-prince-édouard et en Alberta. Le Canada possède d'énormes ressources s à la grandeur de son territoire. Selon l'association canadienne de l'énergie (CanWEA), si les politiques gouvernementales appropriées sont mises en place, l'énergie pourrait permettre de produire 5 % de l'électricité canadienne d'ici CanWEA a publié un document intitulé Wind Vision for Canada, qui comporte des recommandations visant à produire MW d'énergie d'ici Percées technologiques Grâce aux efforts intensifs de R.-D. déployés au cours des 30 dernières années, la conversion de l'énergie est devenue un moyen fiable et concurrentiel de produire de l'électricité. La durée de vie des s modernes est maintenant de 20 à 25 ans, ce qui est comparable à de nombreuses autres technologies de production d'énergie conventionnelles. Le taux d'utilisation moyen des centrales s commerciales est d'environ 98 % [6]. Le coût de l'énergie continue de diminuer grâce aux percées technologiques, à l'accroissement du niveau de production et à l'utilisation de grandes turbines. Il était de 35 US/kWh en 1980 et se situe maintenant entre 4 et 6 US/kWh [6][7]. La capacité moyenne des nouvelles s est de 805 kw et le coût de la capacité installée moyenne a chuté à moins de $US/kW en Le tableau 2 montre les coûts d'installation de divers types d's au Canada en 2001 [8]. Dans ce tableau, la Grande servirait à la production d'énergie d'utilité générale, la Petite serait utilisée pour produire de l'énergie résidentielle, tandis que l'expression Tableau 2: Coûts liés aux diverses centrales s Coût en $CAN Grande Petite Capacité (kw) Taille de la turbine (kw) Coût en capital ($/kw) $1 400 $ $3 000 Taux de financement (%) 7,5% 10% 8,5% Facteur de capacité 35% 23% 25% Coût énergétique ($/kwh) $0,058 $0,237 $0,195 Collectivité éloignée Collectivité éloignée fait référence aux systèmes diesel-s utilisés dans les collectivités éloignées. 2.3 Programmes d'encouragement Les principaux programmes d'encouragement visant à favoriser la production d'énergie sont une combinaison de subventions en capital et de paiements à prix forts. Dans un marché de l'électricité déréglementé, de nombreux producteurs d'énergie peuvent vendre leur production électrique au prix établi pour l'énergie écologique. Au Canada, la Loi de l'impôt sur le revenu prévoit un amortissement accéléré des biens en capital pour la production d'énergie. Ainsi, un producteur peut déduire entièrement les coûts de la première expérimentale installée la première année et recourir au financement par actions accréditives. En décembre 2001, le gouvernement fédéral a lancé un programme d'encouragement pour favoriser la production de l'énergie. Pour chaque KWh produit, le gouvernement verse un incitatif financier de 1,2 /kwh, qui diminue graduellement à 0,8 / kwh, pour les dix premières années de production. 3.0 Structure des systèmes de conversion de l'énergie Les principales composantes d'un système ordinaire de conversion de l'énergie sont une turbine, une génératrice triphasée, un dispositif d'interconnexion et un système de contrôle, comme le montre la figure 3. Les turbines peuvent être à axe vertical ou horizontal. La plupart des turbines modernes sont dotées d'un axe horizontal comprenant deux ou trois pales, et peuvent fonctionner face au vent ou sous le vent. Les principales composantes de la nacelle d'une classique sont illustrées à la figure 4. La turbine peut être à vitesse constante ou à vitesse variable. Les turbines à vitesse variable peuvent produire de 8 à 15 % plus d'énergie que les turbines à vitesse constante, mais elles doivent être dotées d'un convertisseur électronique de puissance pour produire une tension et une fréquence fixes pour les charges. La plupart des fabricants de turbines installent maintenant un démultiplicateur entre le rotor de la turbine à basse vitesse et la génératrice triphasée à haute vitesse. La configuration à entraînement direct, où le rotor de la turbine est couplé directement à la génératrice, est d'une grande fiabilité, exige une maintenance minime et permet parfois de réduire les coûts. Plusieurs concepteurs ont opté pour la configuration à entraînement direct pour leurs nouvelles turbines. Dans un avenir rapproché, les s seront dotées de génératrices synchrones, de génératrices synchrones à aimants permanents ou de génératrices asynchrones, y compris les modèles à cage d'écureuil et à rotor bobiné; certaines en sont d'ailleurs déjà pourvues. On utilise souvent les génératrices à aimants permanents et les génératrices à induction à cage d'écureuil pour les petites et moyennes turbines en raison de leur fiabilité et de leur coût moins élevé. Diverses turbines à haute puissance sont actuellement dotées de génératrices à induction, de génératrices synchrones à aimants permanents et de génératrices synchrones à bobines de champs. IEEE Canadian Review - Summer / Été

3 Girouette / anémomètre Freins à disque Arbre principal Roulement à billes principal Moyeu des pales Couplage Moteur directionnel / engrenage Figure 4: Principales composantes intérieures de la nacelle d'une turbine Les dispositifs d'interconnexion assurent le réglage de la puissance, le démarrage en douceur et les fonctions d'interconnexion des turbines. Il s'agit très souvent de convertisseurs électroniques. La plupart des turbines modernes sont dotées de convertisseurs à modulation d'impulsions en durée (MID) à commutation forcée permettant de produire de l'énergie de qualité à tension et à fréquence fixes. Les deux types de convertisseurs, soit à source de tension avec régulation de tension et à source de tension avec régulation de courant, ont été utilisés pour les s. Le réglage de certaines turbines à grande puissance est assuré par un convertisseur à double MID, qui permet le transport d'énergie dans les deux sens entre la génératrice de la turbine et les services publics d'électricité. 4.0 Interconnexion avec les systèmes d'énergie électrique Trente-six états américains ont mis en place un programme de facturation nette et plusieurs provinces canadiennes envisagent de leur emboîter le pas. Dans le cadre de ce programme, un utilisateur de services publics peut installer une petite génératrice sur sa propriété et Réseau d'énergie électrique (REE) de la région Point de couplage commun Point de connexion avec la RD Charge RD Unit RD Unit Charge Réseau d'énergie Réseau d'énergie Réseau d'énergie électrique local 1 électrique local 2 électrique local 3 Figure 5: Ressources distribuées raccordées à un réseau d'énergie vendre l'électricité au tarif auquel il achète l'électricité des services publics. Les programmes de facturation nette ont amélioré considérablement l'économie des petites ressources distribuées (RD), y compris l'énergie. Les normes qui s'appliquent aux grandes centrales électriques reliées aux systèmes d'énergie électrique ne comportent pas de dispositions concernant les ressources distribuées. En vue de fournir des lignes directrices à tous les partenaires, y compris les services publics, les producteurs indépendants d'électricité, les utilisateurs et les fabricants d'équipement, des efforts sont déployés, au Canada et sur la scène internationale, pour élaborer des normes d'interconnexion. Appuyé par Ressources naturelles Canada et Industrie Canada, Électro- Fédération Canada est en train d'élaborer des lignes directrices canadiennes visantà raccorder les petites ressources distribuées aux services publics. [9]. Ces lignes directrices porteront principalement sur les questions d'interconnexion relatives aux génératrices de faible puissance à convertisseur, comme les photovoltaïques, les s, les piles à combustibles et les microturbines. Le Standards Coordinating Committee 21 on Fuels, Photovoltaics, Dispersed Generation, and Energy Storage d'ieee a formé des groupes de travail pour élaborer IEEE P1547, la Draft Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems, et P1589, la Draft Standard for Conformance Tests Procedures for Equipment Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems (EPS). Les configurations types des ressources distribuées raccordées aux systèmes d'énergie électrique sont présentées à la figure 5. Les principales exigences des ressources distribuées en matière d'interconnexion peuvent être regroupées dans les trois catégories suivantes : exigences générales, exigences en matière de sécurité et de protection, et exigences en matière de qualité énergétique. 4.1 Exigences générales Régulation de la tension - La ressource distribuée (RD) doit éviter que la tension produite au point de couplage commun (PCC, voir la figure 5) se situe dans la plage A spécifiée dans la norme ANSI C84.1 (ou la norme CSA CAN3-C235-83) [10]. Dans le cas d'un réseau de 120/ 240V, la tension maximale devrait être de 126/252V et la tension maximale de 114/226V. Synchronisation - La synchronisation de la RD ne devrait pas causer plus de +/-5 % de fluctuation de tension au PCC. 3 IEEE Canadian Review - Summer / Été 2002

4 Alimentation triphasée 600V/60 Hz Instruments d'analyse à haute vitesse Simulateur Moteur à induction Simulateur solaire Démultiplicateur G G à basse vitesse Stockage d'énergie Convertisseur triphasé Convertisseur monophasé Système autonome Charge résistive Réseau triphasé 600V/60 Hz Système raccordé au réseau triphasé 240V/60 Hz Système raccordé au réseau monophasé Figure 6: Schéma unifilaire de l'installation d'essai de l'université du Nouveau-Brunswick pour les systèmes de conversion de l'énergie et solaire Surveillance - Une RD de 250 kw ou plus devrait permettre de surveiller l'état de la connexion, autant la production de puissance active que réactive au point de connexion. Dispositif d'isolement - Un dispositif d'isolement à point de coupure visible, verrouillable et facilement accessible devrait être installé entre la RD et le réseau d'energie électrique (REE). 4.2 Exigences en matière de sécurité et de protection Perturbation de tension - À des tensions anormales, la RD devrait cesser d'alimenter le REE dans le délai de déclenchement spécifié. Perturbation de fréquence - La RD devrait cesser d'alimenter le REE si la fréquence se situe à l'extérieur de la plage allant de 59,3 à 60,5 Hz. Alimentation triphasée Consigne Profil de courant Simulateur Convertisseur IGBT Consigne de fréquence Couple Moteur à induction Perte de synchronisme - Une RD de 250 kw ou plus devrait être dotée d'un dispositif de protection contre la perte de synchronisation. Reconnexion - La RD doit pouvoir être raccordée de nouveau au système d'alimentation cinq minutes après que la tension et la fréquence du REE soient revenues à la normale. Îlotage accidentel - La RD devrait cesser d'alimenter le REE dans les deux secondes suivant l'îlotage du réseau. 4.3 Exigences en matière de qualité énergétique Harmoniques - La distorsion harmonique totale d'une RD, définie comme étant la somme des harmoniques de courant RMS divisée par le courant maximal à la charge, devrait être inférieur à 5 %. Chaque harmonique individuelle devrait être inférieure au niveau spécifié. Injection directe de courant - L'injection directe de courant de la RD devrait être de moins de 0,5 % de sa puissance nominale. Papillotement - La RD ne devrait pas créer de papillotement indésirable pour les autres clients du REE de la région. Figure 7: Simulateur Vitesse Figure 8: Simulateur Figure 9: Éolienne Bergey Excel de 10 kw destinées aux activités de R.-D. sur les convertisseurs Figure 10: Éolienne Lagawey LW18 de 80 kw destinées aux activités de R.-D. sur les convertisseurs IEEE Canadian Review - Summer / Été

5 5.0 Installations d'essai des systèmes de conversion de l'énergie Pour satisfaire à la demande croissante d'applications en énergie, il faudra déployer d'intenses efforts en recherche et développement afin de faire avancer des technologies sûres, fiables et économiques pour la conversion de l'énergie. Appuyés par la Canadian Foundation of Innovation, Terrain d'essais s de l'atlantique inc., Ressources naturelles Canada et l'université de Moncton, l'université du Nouveau-Brunswick a élaboré un programme unique de recherche et développement et mis en place une installation d'essai pour les systèmes de conversion de l'énergie et solaire. Cette installation est située à proximité de l' de 5 MW du Terrain d'essais s de l'atlantique (TEEA), à l'île-du-prince-édouard. Comme le montre la figure 6, l'installation est dotée de composantes de systèmes de conversion d'énergie et solaire de diverses structures, comme des générateurs à haute vitesse (vitesse fixe ou variable pouvant produire 100 kw), des génératrices à entraînement direct et à vitesse variable (génératrices à bobines de champs et génératrices synchrones à aimants permanents, pouvant produire jusqu'à 50 kw), un convertisseur triphasé (100 kw), des convertisseurs monophasés (autonomes ou raccordés au réseau, pouvant produire jusqu'à 25 kw) et des accumulateurs. Le simulateur permet aux chercheurs de travailler dans un environnement d'essai contrôlé adapté aux génératrices, aux convertisseurs et aux opérations des s, ce qui accroît la productivité de la recherche. L'installation est également dotée d'une infrastructure permettant le développement de méthodes de contrôles perfectionnées visant à améliorer certains aspects liés à la performance du système, par exemple l'extraction maximale de la puissance des sources d'énergie ou solaire. Le simulateur reproduit les caractéristiques de production d'une à diverses vitesses à l'aide d'un dispositif d'entraînement par induction à vitesse réglable [11], comme le montre la figure 7. Pour ce qui est de la génératrice et des convertisseurs électroniques d'énergie, le moteur à induction se comporte de la même façon qu'une à vitesse variable. Le simulateur, qui fait partie de l'installation d'essai des systèmes de conversion de l'énergie et solaire, est illustré à la figure 8, où l'on peut voir également diverses génératrices. À l'heure actuelle, les chercheurs de l'université du Nouveau- Brunswick s'efforcent de mettre au point de nouveaux convertisseurs électroniques d'énergie et d'élaborer des stratégies de contrôle perfectionnées pour des systèmes de conversion de l'énergie à vitesse variable. Mentionnons notamment le convertisseur IGBT monophasé de 10kW/240V raccordé au réseau utilisant une Bergey Excel de 10 kw à Charlottetown (Î.-P.-É.) et le convertisseur IGBT triphasé de 100kW/380V raccordé au réseau utilisant une Lagawey LW18 de 80kW à North Cape (Î.-P.-É.). Le système de 10 kw a été développé pour la production d'énergie résidentielle (figure 9), tandis que le système de 100 kw a été élaboré pour les applications diesels dans les collectivités éloignées (figure 10). La figure 11 montre une autre vue de l'installation. La portée des travaux de R.-D. a été élargie pour comprendre les systèmes de production d'énergie distribuée alimentés par des micro-centrales hydroélectriques utilisant des microturbines, en plus des s. On peut voir le parc d's de 5,28 MW et l'installation d'essai du Terrain d'essais s de l'atlantique (TEEA), situés à North Cape, la pointe la plus septentrionale de l'île-du-prince-édouard 6.0 Références [1]. U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2001, mai [2]. U.S. Energy Information Administration, International Energy Annual 1999, janvier [3]. Gagnon, Luc. Greenhouse Gas Emissions from Electricity Generation Options, Hydro-Québec, avril 2000, environment. [4]. Singh V. et J. Fehrs. The Work that Goes into Renewable Energy, Renewable Energy Policy Project, novembre [5]. Worldwatch Institute. State of the World [6]. International Energy Agency. Wind Annual report 2000, mai [7]. US Department of Energy. Wind Power Today, [8]. Brothers, Carl. Cost Analysis, Atlantic Wind Test Site inc., février [9]. Electrical Manufacturers Association. ANSI C , Electrical Power Systems and Equipment - Voltage Ratings, [10].Chang, L., R. Doraiswami, T. Boutot et H. Kojabadi. Development of a Wind Turbine Simulator for Wind Energy Conversion Systems, IEEE CCECE2000 Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering, Halifax, Canada, mai Figure 11 : Vue du parc d's de Windmill de l'île-du-prince- Édouard. À propos de l'auteur Liuchen Chang est titulaire d'un baccalauréat en génie électrique de l'université Northern Jiaotong de Pékin, d'une maîtrise de la China Academy of Railway Sciences de Pékin et d'un doctorat de l'université Queens de Kingston. Il est professeur en génie électrique et en génie informatique et titulaire de la Chaire en génie de la conception environnementale du CRSNG du département de génie électrique et de génie informatique de l'université du Nouveau-Brunswick. Ses principaux intérêts de recherche et son expérience concernent la production d'énergie distribuée, la conversion de l'énergie renouvelable, l'analyse et la conception de machines électriques, les variateurs de vitesse, l'électrotechnique et les systèmes de traction électrique. LChang@unb.ca. 5 IEEE Canadian Review - Summer / Été 2002